逆冲断层周围地应力分布数值模拟研究

2014-04-20宋录生李树刚颜廷旭

中国煤炭 2014年2期

宋录生李树刚颜廷旭

（1.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054；

2.河南义马煤业集团股份有限公司，河南省义马市，472300）

为了对断层附近冲击矿压进行预测及防治，必须了解断层对其周围地应力分布规律的影响。目前，在断层与地应力的关系方面己有较多的研究成果。本文采用FLAC3D 数值模拟软件，以义马矿区25采区地质条件为原型，对逆冲断层周围地应力分布进行数值模拟，分析了断层剖面、断层下盘剖面与煤层截面相交线处、沿煤层倾向方向剖面的地应力分布。

1 义马矿区25采区概况

义马矿区25采区的采掘工程布置如图1所示，该采区受到南面F16 逆冲断层的影响，据现场勘测资料，F16断层为压向压扭性逆冲断层，在陕渑～义马矿区，走向110°，延展长度约45km，走向近东西，倾向南略偏东，浅部倾角75°，深部倾角15°～35°，逆冲面上陡下缓，落差50～500m，水平错距120～1080m，北接千秋井田，向东延入跃进、常村井田，向西延入耿村、杨村井田。

图1 采区的采掘工程布置图

2 FLAC3D 数值模型的建立

2.1 模型建立

本次研究的数值模拟模型地质条件参考的是跃进煤矿25采区的地质条件，为了研究F16逆冲断层对整个25采区、尤其是25110工作面回采前的影响，数值模拟对地质条件进行了适当简化，岩层倾角按平均倾角12°考虑，并去掉了25采区中的附属小断层，模型尺寸为1365 m×1050 m×350 m（长×宽×高），共设267936 个单元，断层剖面4个角坐标为（310，0，0）（200，0，350）（240，1050，350）（120，1050，0），煤层巷道开挖区域单元进行细化。

2.2 煤岩体力学参数

数值模拟中用到的煤岩体力学参数参考跃进煤矿相关地质报告和实验室测试结果，对于煤岩层厚度取整数考虑，具体的煤岩层力学参数见表1。

表1 煤岩力学参数

2.3 模型的边界条件

研究结果表明，不同形式的断层对应着主应力轴不同的大小关系，其中逆断层的最小主应力轴为垂直状态，最大主应力轴与中间主应力轴为水平状态，因此在FLAC3D 中建立的三维数值模型如图2所示，其中模型底部固定，四周区域施加最大水平主应力σ1=-29 MPa，方向为x 轴方向，中间水平主应力σ2=-24 MPa，方向为y 轴方向，顶部区域施加最小主应力σ3=-20.5 MPa，方向为z轴方向。

图2 数值计算模型图

3 逆冲断层附近地应力分布规律

为了分析逆冲断层影响下地应力的分布规律，当模型计算平衡后，运用Tecplot软件对计算结果进行后处理。需要说明的是由于网格差异也会造成应力集中，因此在后续的应力分布规律分析过程中，不考虑由网格差异造成的应力集中。

3.1 垂直于y 方向剖面时地应力分布规律

根据图3 所示的数值计算模型图，取y=500m，沿该平面方向作剖面，得到剖面上的地应力分布见图3 （a）～图3 （e）。

从图3可以看出，数值模型在受到x 方向两边挤压力的边界条件下，左右两边区域的x 方向应力值要高于中间区域；由于逆冲断层的存在，断层附近上下盘x 方向应力值出现了不连续现象，且x方向最高应力值发生在断层的上盘顶部，大小约为22 MPa，x 方向最小应力值发生在断层的下盘底部，大小约为6 MPa。

图3 y=500m 时剖面地应力分布规律

逆冲断层的存在使得y 方向应力值在上下盘出现了不一样的变化规律，其中下盘的y 方向应力值出现了随深度增加而降低的情况，最低值约为6 MPa，上盘的顶部出现了较大的y 方向应力值，其最大应力值约为17 MPa。

随着z轴数值减小方向，该处的z方向应力值也不断加大，其中最小垂直应力值发生在断层上盘顶部，最小值约为14 MPa，最大垂直应力值发生在断层上盘底部，最大值约为38 MPa。

最大主应力分布与垂直应力的分布规律基本一致，其模型内应力值大小也互相对应。最小主应力分布规律则和x 方向水平应力基本一致，数值和x方向水平应力相对应。

3.2 断层下盘剖面与煤层截面相交处地应力分布规律

为了分析逆冲断层附近地应力的分布规律，将断层下盘剖面与煤层中间层截面相交线定为监测线，对监测线上应力值的变化规律进行了模拟。模拟结果表明监测线上z方向应力值与最大主应力值基本一致，而水平x 方向、水平y 方向应力值与最小主应力值基本一致，且最大主应力值在距离断层一定范围内，随着距离值的加大，应力值不断增大，即距离值达到一定值时，应力值将不再增大，这说明在断层影响的一定范围内，煤层由于受到较大的垂直z方向应力值，发生了塑性破坏，此时表现为随着距离断层越远，应力值越高的情况。煤层内最小主应力值的变化受距断层的距离影响不大，其值基本处于同一水平，约为8 MPa。

3.3 沿煤层倾向方向剖面时煤层中间层地应力分布规律

为了更全面地分析逆冲断层影响下煤层中的地应力值分布规律，将煤层沿煤层倾角方向作剖面，模拟剖面上的地应力分布。

模拟结果表明：由于受到x 方向边界力的挤压作用，煤层中的水平x 方向应力值出现了波浪起伏的应力特征，且煤层中的应力值维持在9MPa左右。

煤层中的水平y 方向应力值与x 方向的应力值变化特点基本一致，也出现了波浪起伏的应力特征，此时煤层中的应力值维持在10 MPa左右，其值略高于x 方向的应力值。

断层下盘煤层中间层的垂直应力值与水平应力值的变化特征是不一致的，由于煤层倾角的存在，z方向应力值随着距断层的接近出现了梯度性的增大，当距离断层越近，由于受断层下盘的影响，垂直应力值出现了梯度性的减小，而断层上盘的岩层区域出现了与断层下盘煤层区域截然不同的垂直应力值变化特征，这说明断层的存在使得上下盘的应力出现了不连续，且岩层与煤层不同的物理力学性质在高应力作用下也表现出了不同的受力状态。

最大主应力、最小主应力分布分别与z方向应力、水平x 方向应力基本一致。